DE102015218514A1 - Reactor for thermal cracking of hydrocarbons and corresponding process - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktor (1) zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen (10), wobei der Reaktor (1) einen Plasmaabschnitt (2) aufweist, in dem ein Plasmabrenner (3) mit mindestens zwei Elektroden angeordnet ist. Der Plasmabrenner (3) weist einen Einlass (4) für Plasmagas (30) auf und ist dazu eingerichtet, ein Plasma mit dem Plasmagas (30) in einem Plasmabereich (5) zu erzeugen. Der Plasmaabschnitt (2) weist mindestens eine Einlassöffnung (6) für Kohlenwasserstoffe (10) auf um die Kohlenwasserstoffe (10) durch Wärme des Plasmas thermisch zu spalten. Der Reaktor (1) weist mindestens zwei gleichartige Kanalabschnitte (7) auf, welche von dem Plasmaabschnitt (2) abgehen, wobei über die gleichartigen Kanalabschnitte (7) die thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe (10) von einem Zentrum des Plasmaabschnitts (8) wegleitbar sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Verfahren.The invention relates to a reactor (1) for the thermal cracking of hydrocarbons (10), wherein the reactor (1) has a plasma section (2) in which a plasma burner (3) is arranged with at least two electrodes. The plasma torch (3) has an inlet (4) for plasma gas (30) and is adapted to generate a plasma with the plasma gas (30) in a plasma region (5). The plasma section (2) has at least one inlet opening (6) for hydrocarbons (10) in order to thermally split the hydrocarbons (10) by heat of the plasma. The reactor (1) has at least two identical channel sections (7) which depart from the plasma section (2), wherein the thermally split hydrocarbons (10) can be conducted away from a center of the plasma section (8) via the identical channel sections (7). Furthermore, the invention relates to a corresponding method.
Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen. Der Reaktor weist einen Plasmaabschnitt auf, in dem ein Plasmabrenner mit mindestens zwei Elektroden angeordnet ist. Der Plasmabrenner weist einen Einlass für Plasmagas auf und ist dazu eingerichtet, ein Plasma mit dem Plasmagas in einem Plasmabereich zu erzeugen. Der Plasmaabschnitt weist mindestens eine Einlassöffnung für Kohlenwasserstoffe auf um die Kohlenwasserstoffe durch Wärme des Plasmas thermisch zu spalten. Weiterhin betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Verfahren.The invention relates to a reactor for the thermal cracking of hydrocarbons. The reactor has a plasma section in which a plasma torch with at least two electrodes is arranged. The plasma torch has an inlet for plasma gas and is configured to generate a plasma with the plasma gas in a plasma region. The plasma section has at least one inlet port for hydrocarbons to thermally crack the hydrocarbons by heat of the plasma. Furthermore, the invention relates to a corresponding method.
Die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe sind bevorzugt bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmige Kohlenwasserstoffe, weiter bevorzugt C1 bis C4-Kohlenwasserstoffe, besonders bevorzugt Methan (CH4). Diese können auch Erdgas oder Biogas sein.The hydrocarbons to be cleaved are preferably gaseous hydrocarbons at room temperature and atmospheric pressure, more preferably
Die thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen ist allgemein bekannt. Die Spaltung erfolgt in ein Gemisch aus festem Kohlenstoff, der sich zu Partikeln unterschiedlicher Größe und Eigenschaft entwickeln kann, welche auch als Ruß bzw. Industrieruß (Carbon Black) bekannt sind, und gasförmigem Wasserstoff.The thermal cracking of hydrocarbons is well known. The cleavage takes place in a mixture of solid carbon, which can develop into particles of different size and property, which are also known as soot or carbon black, and gaseous hydrogen.
Als Wärmequelle werden regelmäßig Plasmabrenner, wie beispielsweise ein Kvaerner-Plasmabrenner, eingesetzt, die elektrische Energie effizient in thermische Energie eines Gases umsetzen können. Die eingesetzten Elektroden sind dabei hohen Temperaturen und einer aggressiven Atmosphäre ausgesetzt, was die mögliche Materialauswahl für die Elektroden einschränkt. Die Elektroden werden durch den Lichtbogen zwangsläufig erodiert, was insbesondere bei einem Dauerbetrieb von Bedeutung ist. Allgemein geeignet sind Elektroden aus Graphit oder ähnlichen stark kohlenstoffhaltigen Materialien, die leitfähig und hochtemperaturstabil sind. Zudem verunreinigen Graphitelektroden durch ihre Erosion nicht die Produkte der thermischen Spaltung durch weitere chemische Elemente und sind vergleichsweise günstig.As a heat source regularly plasma torches, such as a Kvaerner plasma torch, are used, which can efficiently convert electrical energy into thermal energy of a gas. The electrodes used are exposed to high temperatures and an aggressive atmosphere, which limits the possible selection of materials for the electrodes. The electrodes are inevitably eroded by the arc, which is particularly important in a continuous operation of importance. Generally suitable are electrodes of graphite or similar highly carbonaceous materials that are conductive and high temperature stable. In addition, graphite electrodes by their erosion do not contaminate the products of thermal cleavage by other chemical elements and are relatively cheap.
In einem Kvaerner-Reaktor gewonnener Wasserstoff und Kohlenstoff kann in einem zweiten Schritt in einem CO2-Konverter, der die Boudouard-Reaktion nutzt, unter Zusatz von CO2 und in einem H2O-Konverter, der die heterogene Water Gas Shift-Reaktion nutzt, unter Zusatz von Wasser in Synthesegas umgesetzt werden.Hydrogen and carbon obtained in a Kvaerner reactor can be added in a second step in a CO2 converter using the Boudouard reaction with the addition of CO2 and in an H2O converter using the heterogeneous Water Gas Shift reaction be converted by water into synthesis gas.
Die Herstellung als Treibstoffe geeigneter flüssiger Kohlenwasserstoffe aus Kohle und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen ist bekannt. Eines der ältesten bekannten Verfahren ist das Fischer-Tropsch-Verfahren ausgehend von sogenanntem Synthesegas (Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid).The production as fuels of suitable liquid hydrocarbons from coal and / or gaseous hydrocarbons is known. One of the oldest known processes is the Fischer-Tropsch process starting from so-called synthesis gas (mixture of hydrogen and carbon monoxide).
Dieses Synthesegas wird beispielsweise nach dem oben genannten Fischer-Tropsch-Verfahren zu Flüssigtreibstoff reagieren gelassen.This synthesis gas is reacted, for example, by the above Fischer-Tropsch method to liquid fuel.
Ein System und eine Anlage eingangs genannter Art sind beispielsweise in
Es ist ebenfalls bereits bekannt, den Wasserstoffanteil von Synthesegas durch bevorzugt thermische Aufspaltung von Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff zu gewinnen. Der erforderliche Energieeintrag kann in einem sogenannten Kvaerner-Reaktor durch ein mittels elektrischer Energie erzeugtes Plasma erfolgen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn überschüssige elektrische Energie beispielsweise aus regenerativen Quellen zur Verfügung steht, die sich auf diese Art und Weise vorteilhaft in chemische Energie und letztendlich gebunden einem Treibstoff umsetzen lässt.It is also already known to recover the hydrogen content of synthesis gas by preferably thermal decomposition of methane into carbon and hydrogen. The required energy input can take place in a so-called Kvaerner reactor by means of a plasma generated by means of electrical energy. This is particularly advantageous when excess electrical energy is available, for example, from regenerative sources, which in this way can advantageously be converted into chemical energy and ultimately bound to a fuel.
Die initiale Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen im Kvaerner-Reaktor unter Zufuhr regenerativ erzeugter elektrischer Energie und der im zweiten Schritt erfolgende Einsatz von Kohlendioxid bewirkt, dass die CO2-Bilanz so erzeugten Flüssigtreibstoffs wesentlich vorteilhafter ist als die von Treibstoff auf Mineralölbasis.The initial decomposition of hydrocarbons in the Kvaerner reactor with the supply of regeneratively generated electrical energy and the second step use of carbon dioxide causes the CO2 balance so produced liquid fuel is much more advantageous than that of petroleum-based fuel.
Die Wärmeeinbringung in die gasförmigen Kohlenwasserstoffe kann in einem Dauerbetrieb zu einer starken Ablagerung von Kohlenstoff auf den Elektroden sowie im Bereich der Elektroden zur Folge haben. Ein Phänomen, welches als „fouling“ oder auch „carbon fouling“ bekannt ist. Fouling kann zu Kurzschlüssen, erheblicher Reduktion des freien Querschnitts für den Gasstrom und unkontrollierten, ggf. auch kurzfristigen, Veränderungen der Elektrodenform durch lose angelagerte Kohlenstoffpartikel führen, welche die Stabilität des Verfahrens erheblich stören.The heat input into the gaseous hydrocarbons can result in a continuous operation to a strong deposition of carbon on the electrodes and in the region of the electrodes result. A phenomenon known as "fouling" or "carbon fouling". Fouling can lead to short circuits, considerable reduction of the free cross section for the gas flow and uncontrolled, possibly even short-term, changes in the electrode shape due to loosely deposited carbon particles, which significantly disturb the stability of the process.
Dementsprechend wird regelmäßig Wasserstoff als Plasmagas verwendet, bei welchem kein Fouling durch den Wasserstoff auftritt, welcher typische Elektrodenmaterialien wie Graphit in der heißen Umgebung nicht oxidiert. Alternativ können auch Edelgase als Plasmagas eingesetzt werden.Accordingly, hydrogen is regularly used as the plasma gas in which fouling by the hydrogen does not occur, which does not oxidize typical electrode materials such as graphite in the hot environment. Alternatively, noble gases can be used as plasma gas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Reaktor und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. der eine effiziente und kostengünstige Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff ermöglicht.The invention is based on the object to provide a reactor and a method of the type mentioned above, which allows an efficient and cost-effective splitting of hydrocarbons such as methane in carbon and hydrogen.
Der erfindungsgemäße Reaktor löst diese Aufgabe dadurch, dass der Reaktor einen Plasmaabschnitt aufweist in dem ein Plasmabrenner mit mindestens zwei Elektroden angeordnet ist, wobei der Plasmabrenner einen Einlass für Plasmagas aufweist und dazu eingerichtet ist, ein Plasma mit dem Plasmagas in einem Plasmabereich zu erzeugen. Der Plasmaabschnitt weist mindestens eine Einlassöffnung für Kohlenwasserstoffe auf um die Kohlenwasserstoffe durch Wärme des Plasmas thermisch zu spalten. Erfindungsgemäß weist der Reaktor mindestens zwei gleichartige Kanalabschnitte auf, welche von dem Plasmaabschnitt abgehen, wobei über die gleichartigen Kanalabschnitte die thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe von einem Zentrum des Plasmaabschnitts wegleitbar sind. The reactor of the invention achieves this object in that the reactor has a plasma section in which a plasma torch with at least two electrodes is arranged, wherein the plasma torch has an inlet for plasma gas and is adapted to generate a plasma with the plasma gas in a plasma region. The plasma section has at least one inlet port for hydrocarbons to thermally crack the hydrocarbons by heat of the plasma. According to the invention, the reactor has at least two identical channel sections which depart from the plasma section, wherein the thermally split hydrocarbons can be conducted away from a center of the plasma section via the identical channel sections.
Der vorgeschlagene Reaktor mit mehreren gleichartigen Kanalabschnitten ermöglicht eine gute Vermischung von heißem Plasmagas mit den thermisch zu spaltenden Kohlenwasserstoffen, wodurch eine schnelle Wärmeübertragung auf die Kohlenwasserstoffe erfolgt. Hierdurch können die Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, sehr schnell und effektiv gespalten werden. Weiterhin wird das heiße Aerosol aus Kohlenstoff und Wasserstoff aus den gespaltenen Kohlenwasserstoffen auch wieder nach kurzer und möglichst minimaler Verweildauer aus dem sehr heißen Plasmabereich gefördert, was sich positiv auf eine Bildung von möglichst kleinen Kohlenstoffpartikeln auswirkt. Dies wird erreicht durch das Ablenken des Kohlenwasserstoffstroms um einen Winkel im Bereich von 45° bis 90°. Insbesondere die Einleitung von Kohlenwasserstoffen im Gegenstrom zum Plasmagas ermöglicht eine gute Durchmischung, führt aber, wie auch andere übliche Lösungen, zu langen Verweilzeiten von Kohlenstoff in einem sehr heißen Plasmabereich. Im Fall der Gegenstromeinleitung ist dies durch die vollständige Richtungsumkehr der eingeleiteten Kohlenwasserstoffe bedingt. Durch die Einführung von mehreren Kanalabschnitten, welche das Aerosol zu gleichen Teilen weiterleiten, kann eine Ablenkung von vorteilhaften 90° erreicht werden. Es gibt somit einen großen Querschnitt, der zur Ableitung des heißen Aerosols zur Verfügung steht, was ebenfalls kurze Verweilzeiten und damit geringe Partikelgrößen ermöglicht.The proposed reactor with several similar channel sections allows for good mixing of hot plasma gas with the hydrocarbons to be thermally cracked, resulting in rapid heat transfer to the hydrocarbons. As a result, the hydrocarbons, especially methane, can be split very quickly and effectively. Furthermore, the hot aerosol of carbon and hydrogen from the split hydrocarbons is again promoted after a short and minimal retention time from the very hot plasma region, which has a positive effect on the formation of the smallest possible carbon particles. This is achieved by deflecting the hydrocarbon stream at an angle in the range of 45 ° to 90 °. In particular, the introduction of hydrocarbons in countercurrent to the plasma gas allows thorough mixing, but leads, as well as other conventional solutions, to long residence times of carbon in a very hot plasma region. In the case of countercurrent introduction, this is due to the complete reversal of the direction of the hydrocarbons introduced. Through the introduction of several channel sections, which forward the aerosol in equal parts, a deflection of advantageous 90 ° can be achieved. There is thus a large cross-section which is available for the discharge of the hot aerosol, which also allows short residence times and thus small particle sizes.
Weiterhin erreicht das Abgehen von mehreren Kanalabschnitten, dass die Wände des Plasmaabschnitts im Vergleich zu herkömmlichen linearen Reaktoren weniger Oberfläche aufweisen, die mit hohen Temperaturen belastet sind, da der heiße Gasstrom bzw. Aerosol nach mehreren Seiten abgeleitet werden kann. Zudem ergeben sich keine Totvolumina im Reaktor, in denen sich Material, wie agglomerierte Kohlenstoffpartikel, ablagern können oder heiße Gasströme zirkulieren und die Reaktorwände angreifen können.Furthermore, the departure of multiple channel sections achieves that the walls of the plasma section have less surface area exposed to high temperatures compared to conventional linear reactors since the hot gas stream or aerosol can be diverted to multiple sides. In addition, there are no dead volumes in the reactor, in which material, such as agglomerated carbon particles, can deposit or circulate hot gas streams and attack the reactor walls.
Der Plasmaabschnitts ist der Teil des Reaktors, in dem der Plasmabereich lokalisiert ist. Weiterhin liegt das Zentrum des Plasmaabschnitts in der Achse oder im Schnittpunkt der zentralen Längsachsen der Kanalabschnitte. In vorteilhaften Ausführungsformen mit einem Plasmabrenner liegt das Zentrum des Plasmaabschnitts in der Hauptachse der Elektroden. In Ausführungsformen mit mehreren Plasmabrennern liegt das Zentrum des Plasmaabschnitts üblicherweise in der Mitte zwischen den Plasmabrennern.The plasma section is the part of the reactor where the plasma region is located. Furthermore, the center of the plasma section lies in the axis or at the intersection of the central longitudinal axes of the channel sections. In advantageous embodiments with a plasma torch, the center of the plasma section lies in the main axis of the electrodes. In embodiments with multiple plasma torches, the center of the plasma portion is usually midway between the plasma torches.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind die Kanalabschnitte rohrförmig bzw. weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf.In advantageous embodiments, the channel sections are tubular or have a circular cross-section.
Vorzugsweise sind die Einlassöffnung oder die Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe äquidistant zu zwei Kanalabschnitten angeordnet.Preferably, the inlet port or ports for hydrocarbons are arranged equidistant from two channel sections.
Die äquidistante Anordnung der Einlassöffnung(en) ermöglicht eine möglichst gleichmäßige Einleitung des Gasstrom bzw. Aerosolstroms in die Kanalabschnitte. In Ausführungsformen in denen zwei bzw. beide Kanalabschnitte eine gemeinsame Achse aufweisen, d.h. beide Kanalabschnitte die thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe in entgegensetzte Richtungen wegleiten, liegt bzw. liegen die Einlassöffnung(en) in einer Ebene senkrecht zu den Achsen der Kanalabschnitte und mittig zwischen den Kanalabschnitten. The equidistant arrangement of the inlet opening (s) enables the most uniform possible introduction of the gas flow or aerosol flow into the channel sections. In embodiments in which two or both channel sections have a common axis, i. both channel sections divert the thermally split hydrocarbons in opposite directions, the inlet opening (s) lie in a plane perpendicular to the axes of the channel sections and centrally between the channel sections.
Bei mehr als zwei Kanalabschnitten ist es vorteilhaft, wenn die Einlassöffnung(en) äquidistant zu zwei Kanalabschnitten ist bzw. sind, d.h. es ist nicht erforderlich, dass eine bzw. jede Einlassöffnung zu mehr als zwei Kanalabschnitten äquidistant ist.With more than two channel sections, it is advantageous if the inlet opening (s) are equidistant from two channel sections, i. it is not necessary that one or each inlet opening is equidistant to more than two channel sections.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Einlassöffnung oder die Einlassöffnungen auf den Plasmabereich ausgerichtet.In preferred embodiments, the inlet port or ports are aligned with the plasma region.
Eine entsprechende Ausrichtung ermöglicht eine gute und schnelle Durchmischung und Erwärmung der eingeleiteten Kohlenwasserstoffe im Plasma bzw. im Plasmabereich, wodurch die Zerlegung der Kohlenwasserstoffe mit kurzen Verweilzeiten der einzelnen Massen im Plasmabereich erreicht werden kann, was sich vorteilhaft auf die Partikelgröße des Kohlenstoffs auswirkt. Möglichst kleine Kohlenstoffpartikel eignen sich aufgrund des guten Verhältnisses von Oberfläche zu Masse besonders für eine weitere Verarbeitung bzw. Reaktion.A corresponding orientation allows a good and fast mixing and heating of the introduced hydrocarbons in the plasma or in the plasma region, whereby the decomposition of the hydrocarbons can be achieved with short residence times of the individual masses in the plasma region, which has an advantageous effect on the particle size of the carbon. As small as possible carbon particles are suitable for further processing or reaction due to the good surface-to-mass ratio.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe in einer Ebene in der Mitte zwischen zwei Kanalabschnitten angeordnet.In an advantageous embodiment, a plurality of hydrocarbon inlet ports are arranged in a plane midway between two channel sections.
Eine Vielzahl von Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe in einer Ebene erreicht eine besonders gute und schnelle Durchmischung und damit Wärmeübertragung auf die Kohlenwasserstoffe, da aus mehreren Richtungen gleichzeitig in den Plasmabereich Kohlenwasserstoffe eingeblasen werden. Als einzige Ausweichrichtung ergeben sich die Achsen der Kanalabschnitte, wodurch einerseits eine effizientes Wegleiten des entstandenen Aerosols möglich ist und anderseits ein Wandkontakt des Aerosols vermieden bzw. verringert werden kann, so dass die thermische Belastung und die mögliche Ablagerung von Kohlenstoff an den Wänden des Plasmaabschnitts und der Kanalabschnitte verringert wird. A large number of inlets for hydrocarbons in one plane achieves a particularly good and rapid mixing and thus heat transfer to the hydrocarbons, since hydrocarbons are blown into the plasma region from several directions at the same time. As the only direction of evasion, the axes of the channel sections, whereby on the one hand an efficient routing of the resulting aerosol is possible and on the other hand, a wall contact of the aerosol can be avoided or reduced, so that the thermal load and the possible deposition of carbon on the walls of the plasma section and the channel sections is reduced.
Vorzugsweise werden die Einlassöffnungen ringartig in der Ebene in der Mitte bzw. im Zentrum des Plasmaabschnitts zwischen den Kanalabschnitten angeordnet, wodurch der Plasmabereich im Bereich des Rings von Wänden des Plasmaabschnitts durch einen entsprechenden Gasstrom der Kohlenwasserstoffe ferngehalten werden kann, so dass die Wände des Plasmaabschnitts thermisch weniger belastet werden.Preferably, the inlet openings are arranged annularly in the plane in the center or in the center of the plasma section between the channel sections, whereby the plasma region in the region of the ring of walls of the plasma section can be kept away by a corresponding gas flow of the hydrocarbons, so that the walls of the plasma section thermal be charged less.
Vorzugsweise sind die Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe im Ring, vorzugsweise in gleichen Abständen, angeordnet, d.h. gleichmäßig über den Umfang des Plasmaabschnitts verteilt.Preferably, the inlet ports for hydrocarbons are disposed in the ring, preferably at equal intervals, i. evenly distributed over the circumference of the plasma section.
Vorzugsweise weist jeder Kanalabschnitt einen Einleitungsbereich für CO2 auf. Der Einleitungsbereich für Kohlenstoffdioxid ermöglicht eine chemische Umsetzung des Kohlenstoffs der gespaltenen Kohlenwasserstoffe in CO (Kohlenmonoxid) in einer Boudouard-Reaktion, so dass Synthesegas, d.h. eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, effizient aus beispielsweise Erdgas und Kohlenstoffdioxid erzeugt werden kann. Preferably, each channel section has an introduction region for CO 2 . The carbon dioxide introduction section allows the carbon of the split hydrocarbons to be chemically reacted in CO (carbon monoxide) in a Boudouard reaction, so that synthesis gas, ie, a mixture of hydrogen and carbon monoxide, can be efficiently generated from, for example, natural gas and carbon dioxide.
Vorzugsweise sind mehrere Einströmöffnungen für die Einleitung von CO2 vorgesehen. Mehrere Einströmöffnungen ermöglichen eine gleichförmige Vermischung und somit eine Boudouard-Reaktion auf einer kurzen Strecke im Kanalabschnitt. Vorzugsweise sind die Einströmöffnungen für die Einleitung von CO2 in einer Einleitungsebene angeordnet, weiter vorzugsweise ringförmig, besonders vorzugsweise in einer Anordnung mit gleichen Abständen.Preferably, several inlet openings for the introduction of CO 2 are provided. Multiple inflow openings allow uniform mixing and thus a Boudouard reaction over a short distance in the channel section. Preferably, the inlet openings for the introduction of CO 2 are arranged in an introduction plane, more preferably annular, particularly preferably in an arrangement with equal intervals.
Es ist vorteilhaft, wenn der Abstand des Einleitungsbereichs für CO2 vom Zentrum des Plasmaabschnitts 0,30 m bis 1,5 m, vorzugsweise 0,3 m bis 1,0 m beträgt. Hierdurch kann eine für die Boudouard-Reaktion vorteilhafte Temperaturverteilung eingestellt werden.It is advantageous if the distance of the introduction region for CO 2 from the center of the plasma section is 0.30 m to 1.5 m, preferably 0.3 m to 1.0 m. As a result, an advantageous for the Boudouard reaction temperature distribution can be adjusted.
Vorzugsweise weist jeder Kanalabschnitt einen Einleitungsbereich für H2O auf. Hierdurch ist eine heterogene Wassergas-Konvertierungsreaktion der thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe möglich. Es ergeben sich vergleichbare Vorteile, wie bei der Boudouard-Reaktion mit CO2. Vorteilhaft ist die Kombination der Boudouard-Reaktion und der Wassergas-Konvertierungsreaktion, um die Zusammensetzung des Synthesegases zu steuern. Dies gilt insbesondere auch, um das Verhältnis von CO und H2 beliebig anzupassen.Preferably, each channel section has an introduction region for H 2 O. As a result, a heterogeneous water gas conversion reaction of the thermally cracked hydrocarbons is possible. There are comparable advantages, as in the Boudouard reaction with CO 2 . Advantageous is the combination of the Boudouard reaction and the water gas conversion reaction to control the composition of the synthesis gas. This is especially true to arbitrarily adjust the ratio of CO and H 2 .
In vorteilhaften Ausführungsformen beträgt der Abstand des Einleitungsbereichs für H2O vom Zentrum des Plasmaabschnitts 0,3 m bis 2,5 m, vorzugsweise 0,5 m bis 1,5 m. Hierdurch kann eine für die Wassergas-Konvertierungsreaktion vorteilhafte Temperaturverteilung eingestellt werden. Es kann insbesondere eine vollständige Reaktion der Kohlenstoffpartikel zu gasförmigen Produkten erreicht werden, was den kontinuierlichen Betrieb des Reaktors ohne Reinigungsunterbrechungen oder Abtrennung der festen Kohlenstoffpartikel vor einem nachgelagerten Prozess, wie z.B. ein Fischer-Tropsch-Verfahren, ermöglicht. In advantageous embodiments, the distance of the lead-in area for H 2 O is the center of the plasma portion of 0.3 m to 2.5 m, preferably 0.5 m to 1.5 m. As a result, an advantageous for the water gas conversion reaction temperature distribution can be adjusted. In particular, a complete reaction of the carbon particles to gaseous products can be achieved, which enables the continuous operation of the reactor without cleaning interruptions or separation of the solid carbon particles before a downstream process, such as a Fischer-Tropsch process.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform überschneiden sich die Einleitungsbereiche für CO2 und für H2O. Es kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Abstand zwischen den Einleitungsebenen für CO2 und für H2O 0 m betragen.In a further advantageous embodiment, the introduction ranges for CO 2 and for H 2 O overlap. In an advantageous embodiment, the distance between the introduction levels for CO 2 and for H 2 O may be 0 m.
Der vorgeschlagene Reaktor mit zwei bzw. mehr als zwei gleichartigen Kanalabschnitten erlaubt eine einfache bauliche Anpassung des Reaktors an unterschiedliche Anforderungen bei der Prozessgestaltung mit Einleitungsbereichen für Kohlenstoffdioxid und/oder Wasser durch die Veränderung der Abstände. Dies ist insbesondere gegeben bei rohrförmigen Kanalabschnitten und Einleitungsbereichen mit ringförmig angeordneten Einströmöffnungen. The proposed reactor with two or more than two identical channel sections allows a simple structural adaptation of the reactor to different requirements in the process design with introduction regions for carbon dioxide and / or water by changing the distances. This is in particular given in tubular channel sections and introduction areas with annularly arranged inflow openings.
In bevorzugten Ausführungsformen weisen die Einleitungsbereiche eine Vielzahl von Einströmöffnungen auf, wobei die Einströmöffnungen über den Umfang der jeweiligen Kanalabschnitt, weiter vorzugsweise gleichmäßig, verteilt angeordnet sind. In preferred embodiments, the introduction regions have a plurality of inflow openings, wherein the inflow openings are distributed over the circumference of the respective channel section, more preferably evenly distributed.
Vorzugsweise sind mehrere Einströmöffnungen für die Einleitung von H2O vorgesehen. Mehrere Düsen ermöglichen eine gleichförmige Vermischung und somit eine Wassergas-Konvertierungsreaktion auf einer kurzen Strecke im Kanalabschnitt. Vorzugsweise sind die Einströmöffnungen für die Einleitung von H2O in einer Einleitungsebene angeordnet, weiter vorzugsweise ringförmig, besonders vorzugsweise in einer Anordnung mit gleichen Abständen.Preferably, several inlet openings for the introduction of H 2 O are provided. Multiple nozzles allow uniform mixing and thus a water gas conversion reaction over a short distance in the duct section. Preferably, the inlet openings for the introduction of H 2 O are arranged in an introduction plane, more preferably annular, particularly preferably in an arrangement with equal intervals.
Vorzugsweise weist der Plasmabrenner eine innere Elektrode und eine äußere, ringförmige Elektrode auf, wobei der Plasmabrenner zwischen äußerer und innerer Elektrode einen ringförmigen Einlass für Plasmagas aufweist. Eine solche Anordnung ist als Kvaerner-Plasmabrenner bekannt. Die innere Elektrode weist vorzugsweise eine Einlassöffnung für Kohlenwasserstoffe auf. Eine Einlassöffnung für Kohlenwasserstoffe in der inneren Elektrode ermöglicht ein hohes Verhältnis von eingeleiteten Kohlenwasserstoffen zu eingesetztem Plasmagas. Zudem kann mit einer derartigen Elektrode der Plasmabereich vom Plasmabrenner weiter in das Zentrum des Plasmaschnitts des Reaktors verlagert werden.Preferably, the plasma torch has an inner electrode and an outer annular electrode, wherein the plasma torch between the outer and inner electrode has an annular Inlet for plasma gas has. Such an arrangement is known as Kvaerner plasma torch. The inner electrode preferably has an inlet port for hydrocarbons. An inlet port for hydrocarbons in the inner electrode allows a high ratio of introduced hydrocarbons to plasma gas used. In addition, with such an electrode, the plasma region may be further displaced from the plasma torch to the center of the plasma section of the reactor.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind in dem Plasmaabschnitt zwei Plasmabrenner angeordnet, wobei die Plasmabrenner äquidistant zum Zentrum des Plasmaabschnitts angeordnet sind. Diese Anordnung eignet sich besonders für eine Skalierung der Plasmaleistung, was vor allem bei zwei Kanalabschnitten mit einer gemeinsamen Achse vorteilhaft ist.In advantageous embodiments, two plasma torches are arranged in the plasma section, wherein the plasma torches are arranged equidistant from the center of the plasma section. This arrangement is particularly suitable for a scaling of the plasma power, which is advantageous especially for two channel sections with a common axis.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind in dem Plasmaabschnitt drei Plasmabrenner angeordnet, welche äquidistant zum Zentrum des Plasmaabschnitts angeordnet sind, wobei der Reaktor drei Kanalabschnitte aufweist. Neben dem vorteilhaften Skalieren ergeben sich Vorteile für die Effizienz für Reaktoren mit Kvaerner-Plasmabrennern, da jeder Plasmabrenner mit einer Phase einer 3-Phasenstromquelle betrieben werden kann, so dass keine aufwändige Spannungswandlung bzw. Gleichrichtung erforderlich ist und die Blindleistung reduziert werden kann.In another advantageous embodiment, three plasma torches are arranged in the plasma section, which are arranged equidistant from the center of the plasma section, the reactor having three channel sections. In addition to advantageous scaling, there are advantages to the efficiency of reactors with Kvaerner plasma torches, since each plasma torch can be operated with one phase of a 3-phase current source, so that no costly voltage conversion or rectification is required and the reactive power can be reduced.
Vorzugsweise gehen die Kanalabschnitte in einem Abstand vom Zentrum des Plasmaabschnitts, welcher mindestens 1 m größer ist als der Abstand des letzten Einleitungsbereichs, in Produktleitungsabschnitte über. Die Produktleitungsabschnitte dienen dazu, einen Transfer zu weiterführenden Prozessen, wie z.B. einem Fischer-Tropsch-Verfahren, zu ermöglichen. Hierbei können die mehreren Produktleitungsabschnitte zusammengeführt werden. Weiterhin ist es möglich, dass eine Umlenkung und somit eine Annäherung an das Zentrum des Plasmaabschnitts erfolgt, wobei dies keine direkte und vollständige Rückleitung in den Plasmaabschnitt impliziert. Der Übergang zu Produktleitungsabschnitten ermöglicht eine einfachere Weiterleitung bei niedrigeren Temperaturen ohne aufwendige Kühlung des Abschnitts.Preferably, the channel sections are at a distance from the center of the plasma section, which is at least 1 m greater than the distance of the last introduction region, in product line sections over. The product line sections serve to facilitate a transfer to further processes, e.g. a Fischer-Tropsch process. In this case, the plurality of product line sections can be merged. Furthermore, it is possible that a deflection and thus an approach to the center of the plasma section takes place, which does not imply a direct and complete return to the plasma section. The transition to product line sections allows for easier routing at lower temperatures without costly cooling of the section.
Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe der Erfindung ein korrespondierendes Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen vorgeschlagen, wobei in einem Reaktor der vorgenannten Art mehrere Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe vorgesehen sind. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Einlassöffnungen mit variablen und voneinander abweichenden Drücken und/oder Massenströmen der eingeleiteten Kohlenwasserstoffe betrieben.Furthermore, a corresponding method for the thermal cleavage of hydrocarbons is proposed to achieve the object of the invention, wherein a plurality of inlet openings for hydrocarbons are provided in a reactor of the aforementioned type. According to the invention, at least two inlet openings are operated with variable and divergent pressures and / or mass flows of the introduced hydrocarbons.
Dies ermöglicht eine Zentrierung des Plasmabereichs in dem Plasmaabschnitt des Reaktors, so dass der heißeste Bereich möglichst mit gleichem Abstand zu allen Wänden des Reaktors angeordnet ist, um die thermische Belastung der Reaktorwände zu minimieren. Weiterhin kann eine rechtwinklige Ablenkung der thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe in vorzugsweise zwei Kanalabschnitte ebenfalls zentral in den Kanalabschnitten erfolgen, was Wandeffekte minimiert und eine gute Ausgangssituation für nachfolgende Prozessschritte bietet.This allows centering of the plasma region in the plasma section of the reactor, so that the hottest region is arranged as equal as possible to all walls of the reactor in order to minimize the thermal load on the reactor walls. Furthermore, a rectangular deflection of the thermally split hydrocarbons in preferably two channel sections can also be done centrally in the channel sections, which minimizes wall effects and provides a good starting situation for subsequent process steps.
Vorzugsweise erfolgen eine Erfassung der Position eines Plasmabereichs in dem Plasmaabschnitt und ein Regeln von Drücken und/oder Massenströmen von Kohlenwasserstoffen an mindestens zwei Einlassöffnungen derart, dass der Plasmabereich in das Zentrum des Plasmaabschnitts verlagert wird.Preferably, a detection of the position of a plasma region in the plasma section and a regulation of pressures and / or mass flows of hydrocarbons to at least two inlet openings are made such that the plasma region is displaced into the center of the plasma section.
Die Erfassung der Position des Plasmabereichs kann beispielsweise optisch mittels einer Kamera erfolgen, welche in einem Kanalabschnitt angeordnet ist. Die durch die Kamera erfassten Daten werden in vorteilhaften Ausführungsformen elektronisch ausgewertet und in einen Regelkreis eingespeist. Der Regelkreis steuert die Einleitung an mindestens, vorzugsweise mehreren oder auch allen Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe, durch eine Anpassung von Druck und/oder Massenstrom. Dementsprechend verschiebt sich der Plasmabereich durch die veränderten Strömungsbedingungen, was verfahrensgemäß erfasst wird und zur weiteren Anpassung der Drücke und/oder Massenströme dient. Auf diese Weise kann der heiße Plasmabereich möglichst zentral mit gleichmäßigem Abstand zu allen Wänden positioniert werden. Dies kann insbesondere bei einer ringförmigen Anordnung von Einlassöffnungen im Plasmaabschnitt vorteilhaft ausgeführt werden.The detection of the position of the plasma region can be effected, for example, optically by means of a camera, which is arranged in a channel section. The data captured by the camera are electronically evaluated in advantageous embodiments and fed into a control loop. The control circuit controls the introduction of at least, preferably more or all inlet ports for hydrocarbons, by adjusting the pressure and / or mass flow. Accordingly, the plasma region shifts due to the changed flow conditions, which is detected according to the method and serves to further adapt the pressures and / or mass flows. In this way, the hot plasma area can be positioned as centrally as possible with even spacing to all walls. This can be carried out advantageously in particular with an annular arrangement of inlet openings in the plasma section.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den nachfolgenden Figuren schematisch dargestellt. Es zeigtAdvantageous embodiments of the invention are shown schematically in the following figures. It shows
In der
Gegenüber des Plasmabrenners
Das durch die elektrische Entladung zwischen den Elektroden erhitzte Plasmagas
Hierdurch werden die Kohlenwasserstoffe
Der Plasmabrenner
In diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird das in die Kanalabschnitte
Vorzugsweise beträgt der Abstand D1 des Einleitungsbereichs
Vorzugsweise beträgt der Abstand D2 des Einleitungsbereichs
In
Das Ausführungsbeispiel der
In
In
In
In
In weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispielen können mehrere Plasmabrenner
Die Verwendung elektrischer Energie für die Umsetzung in die notwendige thermische Energie ist vorteilhaft, da hierfür insbesondere regenerative Energiequellen verwendet werden können. Für das vorgeschlagene Verfahren ist es unerheblich, ob das Plasma durch einen Plasmabrenner
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Kohlenwasserstoffe CH4 bzw. Methan. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind die eingesetzten Kohlenwasserstoffe
Der Begriff Synthesegas
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